给水厂高密度沉淀池沉淀区流态模拟及优化设计

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４３ × １０ｍ／ｄ；共有４座高密度沉淀池，单池沉淀区面２积为２５５ｍ、长为１７．２ｍ，有效水深为６．８ｍ。４３４３
ｖ（ｖ）＋Ｓｖｙｔｙ式中ｕ、ｖ — — —ｘ、ｙ方向的流速分量 ρ — — —流体密度ｖ — — —紊动粘性系数ｔＳ、Ｓ — — —源项ｕｖ
中国给水排水Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．３第２７卷第３期Ｆｅｂ．２０１１２０１１年２月ＣＨＩＮＡＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ
给水厂高密度沉淀池沉淀区流态模拟及优化设计
雷晓玲１，方小桃１，刘贤斌２，杜佳靖２
万方数据
第２７卷第３期中国给水排水ｗｗｗ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｃｏｍ
向池尾运动，行进中有所扩散，随着动能的消耗，异重流头部开始上升，与向下运动的异重流组成两股方向相反的液流切应力，形成环流。异重流的存在影响沉淀池设计的负荷能力。一方面，异重流产生的环流半径过大或过小，都会影响沉淀池的表面负荷；即使环流半径较为适中，在沉淀池中心也会形成 “ 死水区” ，这部分水体不参于交换，会影响沉淀池的表面负荷。另一方面，流速较大时还会冲刷池底的一部分活性污泥，污泥絮体被扰动而浮起，形成污泥絮体短路而排出，会降低沉淀池的负荷率，从而影响最终的处理效果。
连续性方程：ｕｖ＋＝０ｘｙ（１）
ｘ方向的动量方程：ｕｕｐｕｕ＋ｖ＝－＋（ｖ）＋ｘｙｘｘｔｘ ρ ｕ（ｖ）＋Ｓｕｙｔｙｙ方向的动量方程：ｖｖｐｖｕ＋ｖ＝－＋（ｖ）＋ｘｙｘｘｔｘ ρ （２）
（３）
采用标准ｋ－ ε两方程湍流模型计算紊动粘性系数ｖ，该模型建立了紊动粘性系数与紊动动能ｋｔ和紊动耗散率 ε的关系，即ｖＣｔ＝ μ 由其输运方程确定。１２边界条件的确定进水口采用流速均匀分布的假 ① 入口边界：定，进水口断面的紊动动能ｋｍ及其耗散率 ε ｍ也假设为均匀分布。单池流量Ｑ＝０．２１２Ｌ／ｓ，进水流速Ｖ＝０．０１６ｍ／ｓ。出水口采用充分发展边界条件。 ② 出口边界：因为已知外面的大气压，故采用压力出口，并满足压方向的偏导为零的要求，出口力出口的物理量在ｘ
图１高密度沉淀池沉淀区结构示意Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｓｅｔｔｌｅｒ
本研究采用固液两相流混合模型，假设沉淀区内为垂直二维恒定流无浮力影响的不可压缩流，整
１］个流场控制方程［如下：

颗粒只有沉积，没有冲刷。

Ф ０，ｕ，ｋ，，Ｃ。 ③ 自由水面边界：＝ Ф＝ ε ｙ池底和边壁为固体壁面，壁 ④ 固定壁面边界：面上流速为零，使用标准壁面函数。混合有限分析法具有自动迎风效应，对于稳态

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问题具有二阶精度。速度与压强场的解耦采用ＳＩＭＰＬＥ过程，使用结构化四边形网格共５２０３２个。２模拟结果与分析计算经过近１０００步时满足收敛条件。沉淀区在上述设定工况下的流场分布如图２所示，沉淀区。出水口断面的流速分布见图３
５．０１３× １０Ｐａ；出泥口也为压力出口，悬浮压力为１２ｋ，其中ｋ和 ε ε
１数学模型及其边界条件１１数学模型的选择由于沉淀区结构对称，可以简化为二维计算。图１为本研究所采用的高密度沉淀池沉淀区二维垂向示意图。图中构筑物尺寸与拟建给水厂高密度沉淀池的设计尺寸完全一致，其中：Ｌ＝１７．２ｍ，Ｌ１＝２．０ｍ，Ｌ０．２ｍ，Ｌ１０．７ｍ，Ｈ２．６８ｍ，Ｈ２＝３＝１＝２＝７．００ｍ，Ｈ２．０５ｍ，有效水深为６．８ｍ。３＝
图２高密度沉淀池沉淀区的流场分布（Ｖ＝０．０１６ｍ／ｓ）Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｓｉｎｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｓｅｔｔｌｅｒ（Ｖ＝０．０１６ｍ／ｓ）
从图２可以看出，进水口挡板处的异重流现象明显，进水经挡板流出后呈“ 潜没跌水” 状，内部边界面清晰，异重流顺壁面潜入池底，碰池底后沿池底 · ·５３
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｉｖｅｒａｎｄＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｅｎｔｒａｌａｎｄＳｏｕｔｈｅｒｎＣｈｉｎａＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ４３００１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵｓｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｓｅｔｔｌｅｒｏｆａｌａｒｇｅｓｃａｌｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｔｏｂｅｂｕｉｌｔｉｎＣｈｏｎｇｑｉｎｇａｓａｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｈｅｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｓｅｔｔｌｅｒｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｕｓｉｎｇｓｏｌｉｄｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｍｏｄｅｌａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｔｗｏｅｑｕａｔｉｏｎｋ－εｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｉｎＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｓｅｒｉｏｕｓｓｈｏｒｔｆｌｏｗ，ｄｅｎｓｉｔｙｆｌｏｗａｎｄｖｏｒｔｅｘｆｌｏｗｅｘｉｓｔｉｎｔｈｅｓｅｔｔｌｅｒ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎａｒｅｆｕｒｔｈｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｉｎｆｌｕｅｎｔｆｌｏｗｒａｔｅｔｏａｖｏｉｄｄｅｎｓｉｔｙｆｌｏｗａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｒｅａａｎｄｃａｔｃｈｍｅｎｔｍｏｄｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｈｅｌａｍｅｌｌａａｒｅａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｓｅｔｔｌｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｓｅｔｔｌｉｎｇａｒｅａ；ｄｅｎｓｉｔｙｆｌｏｗ；ｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ高密度沉淀池在欧洲已经应用多年，近几年开始进入我国市场，并愈来愈广泛地被使用。高密度沉淀池的沉淀区由预沉—浓缩池和斜板分离池组成，理想工作过程为：原水在反应池絮凝后进入面积较大的预沉区，矾花移动速度放缓，以此避免矾花的破裂和涡流的形成，也使绝大部分的悬浮固体在该区沉淀并浓缩；预沉出水进入斜板区以进一步去除矾花。但是，实际的沉淀情况总是偏离理想的沉淀假设，沉淀池内总会存在不同程度的死角、短流、异重流等影响出水水质的因素。为此，研究高密度沉
基金项目：重庆交通大学研究生教育创新基金资助项目
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雷晓玲，等：给水厂高密度沉淀池沉淀区流态模拟及优化设计
第２７卷第３期
淀池沉淀区的实际流态并提出设计优化建议具有重要意义。笔者以重庆市某拟建大型给水厂的高密度沉淀池设计为原型，借助大型计算流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ对其沉淀区内的流态进行数值模拟和设计优化。拟建给水厂的处理能力为６０× １０ｍ／ｄ，一期供水能力为２０× １０ｍ／ｄ，设计时考虑５％的水厂内部水损失量以及系统５％的抗水力冲击负荷能力，因此，水厂一期工程的最大设计处理能力为２２
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎｉｎＨｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙＳｅｔｔｌｅｒｏｆＷａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔＰｌａｎｔ
１１２２ＬＥＩＸｉａｏｌｉｎｇ，ＦＡＮＧＸｉａｏｔａｏ，ＬＩＵＸｉａｎｂｉｎ，ＤＵＪｉａｊｉｎｇ
（１．重庆交通大学河海学院，重庆４０００７４；２．中国市政工程中南设计研究总院，湖北武汉４３００１０）摘要：以重庆市某拟建大型给水厂的高密度沉淀池设计为原型，利用ＦＬＵＥＮＴ软件中的固－对其沉淀区内的流态进行数值模拟。模拟结果表明，液两相流模型和标准ｋ ε两方程湍流模型，其沉淀区内存在较为严重的短流、异重流及漩涡现象。为此进一步探讨了沉淀区内流态的改进方法，提出了通过提高进水流速来消除异重流以及优化配水区结构和集水方式来改善斜板区流态等措施。关键词：高密度沉淀池；数值模拟；沉淀区流态；异重流；设计优化中图分类号：ＴＵ９９１文献标识码：Ｃ文章编号：１０００－４６０２（２０１１）０３－００５２－０４
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